Zur Vorbereitung zukünftiger Satellitengravimetriemissionen sind spezielle Simulationsstudien erforderlich, um die voraussichtliche Missionsleistung abzuschätzen. Sie ermöglichen die Bewertung der Fähigkeiten von Missionskonzepten und können zur Vorbereitung von Prozessierungsstrategien verwendet werden, benötigen jedoch ein Modell der Massenvariationen im Erdsystem, das repräsentativ ist und geeignete Zielsignale enthält. Das Modell, das üblicherweise als Eingabe für diese Simulationen dient, ist das ESA Earth System Model, welches nun auf Version 3.0 aktualisiert wurde und für Simulationen von z. B. GRACE-C, NGGM und der MAGIC-Konstellation bereitsteht.
Text: Dr. Linus Shihora, GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Die Entwicklung zukünftiger SatellitengravimetrieVerfahren zur Vermessung des Erdschwerefeldes mittels Satelliten. In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene moderne Varianten realisiert: (1) Laufzeitmessungen zwischen hochfliegenden GPS-Satelliten und einem tieffliegenden Satelliten (high-lo...-Missionen wie der MAGIC-Konstellation erfordert neben vielen weiteren Schritten Simulationen der gesamten Missionsleistung sowie der GravitationGravitation bezeichnet man auch als Schwerkraft oder Massenanziehungskraft. Gravitation ist die Kraft, die zwei oder mehrere Körper aufgrund ihrer Masse aufeinander ausüben. Die bekannteste Gravitationskraft ist die Erdanziehungskraft. Sie bewirkt,...sfeld-Prozessierung. Dazu gehören die Simulation der Satellitenbahnen, der einzelnen Sensormessungen, der Schwerefeldprozessierung und schließlich die Inversion von Oberflächenmassenanomalien. Eine der Haupteingaben für diese Simulationen ist ein Modell, das die Variationen im Erdsystem repräsentiert, welche entweder Zielsignale oder Rauschquellen darstellen. Für SatellitengravimetrieVerfahren zur Vermessung des Erdschwerefeldes mittels Satelliten. In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene moderne Varianten realisiert: (1) Laufzeitmessungen zwischen hochfliegenden GPS-Satelliten und einem tieffliegenden Satelliten (high-lo...-Simulationen ist die üblicherweise verwendete Grundlage hierfür das ESA Earth System Model (ESA ESM).
Angesichts der erweiterten Fähigkeiten dieser neuen Satellitenmissionen müssen Simulationen und folglich auch das ESA ESM adäquate Zielsignale enthalten, die durch derzeitige Messungen möglicherweise nicht erfassbar waren. Zu diesem Zweck wurde eine neue Version des ESA ESM entwickelt, die das Vorgängermodell in vielfältiger Weise aktualisiert und verbessert.
Das ESA ESM ist in einzelne Schichten strukturiert, die jeweils eine bestimmte Komponente des Erdsystems repräsentieren. Diese Schichten umfassen die Atmosphäre (A), den Ozean (O), die kontinentale Wasserspeicherung (H), die EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...e und Gletscher (I), die feste Erde (S), den Meeresspiegel (B), Erdbeben (E) sowie eine Kombination regionaler Signale im Zusammenhang mit der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) und der Ablagerung von Sedimenten aus Flusseinzugsgebieten im Ozean (D).
Die Massenvariationen in der Atmosphärenschicht basieren auf Reanalysedaten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), also einem Atmosphärenmodell, das routinemäßig mit großen Mengen meteorologischer Beobachtungen kombiniert wird, um die bestmögliche Darstellung der Atmosphäre auf Zeitskalen von Stunden bis Jahrzehnten zu erzeugen. Die Atmosphärendaten werden anschließend auch als Eingabe für Simulationen der Ozean- und HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... verwendet, und zwar mithilfe des Ozeanmodells des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPIOM) bzw. des OS-LISFLOOD-Modells des Joint Research Center (JRC) der Europäischen Kommission. Insbesondere für die HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... bedeutet das neu eingebundene OS LISFLOOD eine bessere Darstellung z. B. extremer HochwasserHochwasser sind immer wieder auftretende natürliche Ereignisse, die durch ein komplexes Zusammenspiel meteorologischer und hydrologischer Prozesse entstehen. Hochwasser wird der Zustand bei Gewässern genannt, bei dem sich der Wasserstand oder der A...ereignisse sowie die Einbeziehung der anthropogenen Grundwasserentnahme, welche als wertvolle Zielsignale für zukünftige Satellitenmissionen gelten.
Variationen in der KryosphäreKryosphäre sind alle Teile eines Klimasystems, die mit Eis bedeckt sind. Zur Kryosphäre auf der Erde gehören, Gletscher, Polareis, Eisschilde, Meereis oder Schnee. Die Kryosphäre ist ein wichtiger Indikator für Klimaveränderungen und trägt erh... werden als Massenänderungen der antarktischen und grönländischen EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...e, neun regionaler Hochgebirgsgletschersysteme in Europa, Asien sowie Nord- und Südamerika, und zusätzlich als sehr kleine Trendsignale infolge des tauens des Permafrostes in der Arktis dargestellt.
Eine der Hauptsignalquellen der festen Erde ist die noch andauernde Hebung des oberen Erdmantels aufgrund der Deformation durch das letzte glaziale Maximum – ein Prozess, der als glazial-isostatische Ausgleichsbewegung (GIA) bekannt ist. Zusätzlich liefert das ESM auch die kleineren Trendsignale der festen Erde, die durch die Kleine Eiszeit (Little Ice Age, LIA) induziert werden. In beiden Fällen werden die Signale mit speziellen Läufen des VILMA-Modells simuliert.
Im Zusammenhang mit den Signalen der festen Erde, wenn auch in einer separaten Schicht, enthält die neue ESM Version eine Reihe von Erdbebensignalen. Neben den großen Brüchen wie den Sumatra-Andaman- und Tohoku-Oki-Beben, enthält das Ensemble eine Vielzahl von Erdbeben bis zu Magnitude 7,7, einschließlich des jüngsten Kahramanmaraş-Bebens von 2023. Wenn auch etwas künstlich, werden alle Ereignisse zeitlich an den Anfang der ESA-ESM-Zeitreihe verschoben, meist ins Jahr 2008, um eine lange Darstellung der postseismischen Deformationen zu ermöglichen, die mit den durch die seismischen Ereignisse induzierten Spannungsänderungen einhergehen.
Viele der Massenvariationen in den Schichten des ESM beinhalten den Wasserabfluss in die Ozeane – ein Prozess, der in der Ozeanschicht des ESM nicht berücksichtigt wird. Stattdessen werden die Änderung der Ozeanmasse und die entsprechende Meeresspiegeländerung als separate Schicht einbezogen, welche die Massenvariationen über den Kontinenten aus Atmosphäre, HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... und KryosphäreKryosphäre sind alle Teile eines Klimasystems, die mit Eis bedeckt sind. Zur Kryosphäre auf der Erde gehören, Gletscher, Polareis, Eisschilde, Meereis oder Schnee. Die Kryosphäre ist ein wichtiger Indikator für Klimaveränderungen und trägt erh... ausgleicht. Die Meeresspiegeländerung ist jedoch räumlich nicht einheitlich. Regionale Änderungen entstehen durch Veränderungen der Erdrotation, Meeresbodendeformationen sowie Änderungen der GravitationGravitation bezeichnet man auch als Schwerkraft oder Massenanziehungskraft. Gravitation ist die Kraft, die zwei oder mehrere Körper aufgrund ihrer Masse aufeinander ausüben. Die bekannteste Gravitationskraft ist die Erdanziehungskraft. Sie bewirkt,..., welche in Kombination zu räumlich heterogenen Meeresspiegel-Fingerabdrücken führen.
Schließlich berücksichtigt die neue ESM-Version deutlich kleinere regionale Massenanomalien als mögliche Ziele für zukünftige Missionen. Dazu gehören Änderungen des Ozeanbodendrucks, die durch Tiefenwassertransporte im Zusammenhang mit der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation verursacht werden, welche eine wichtige Rolle in der globalen Ozeanzirkulation und im KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...system spielt. Während die Transporte der Wassermassen durch die Satelliten nicht direkt detektierbar sind, gibt es entlang der Westseite des Atlantiks kleine Druckvariationen, die zur Ableitung von Änderungen der AMOC herangezogen werden können. Zusätzlich erzeugt die Ablagerung von Sedimenten, die über Flusseinzugsgebieten erodiert und anschließend in die Ozeane transportiert werden, kleine Massentrends am Ort ihrer Ablagerung. Da es weltweit nur wenige In-situ-Beobachtungen gibt, die diese Ablagerungen kartieren, könnten zukünftige Schwerefeldmissionen dazu beitragen, diese Prozesse besser zu beleuchten. Eine erste Schätzung dieser Trendsignale ist nun neu im ESM enthalten.
Die nachstehende Animation zeigt beispielhaft die Zeitvariationen im finalen Modell. Sie zeigt die Variationen in HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi..., EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...en, fester Erde, Meeresspiegel, Erdbeben und regionalen Prozessen für das einzelne Jahr 2008 auf täglichen Zeitskalen. Sie zeigt sogar die enthaltenen sehr kurzen Tsunamisignale nach den Sumatra-Andaman- und Tohoku-Oki-Brüchen Mitte Januar und Februar.
Animation
Zusammen bilden alle Ebenen des ESM ein umfassendes Modell der für künftige Satellitenmissionen relevanten Signale. Während die Auswertung der Simulationen noch andauert, werden die entwickelten Verarbeitungsansätze es den Nutzer:innen ermöglichen, die neuen Satellitenbeobachtungen in vollem Umfang zu nutzen, sobald diese verfügbar sind.